Tiểu luận Điều khiển hiện đại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ ========= BÁO CÁO TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI Đề tài THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CÓ MÔ HÌNH CHUẨN Giáo viên hướng dẫn PGS TS NGUYỄN HOA LƯ Th S HỒ SỸ PHƯƠNG Nhóm 4 Sinh viên thực hiện Nguyễn Xuân Nam MSSV 1755252021600054 Nghệ An, 2021 MỤC LỤC Trang Mục lục 1 Danh mục hình ảnh 3 Đánh giá và nhận xét 4 Phần 1 Cơ sở lý thuyết 5 Tổng quan về lò sấy 5 Phân loại hệ thống sấy 5 Hệ thống sấy tự nhiên 5 Hệ thống sấy nhân tạo 6 Các dạng lò.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ =====***==== BÁO CÁO TIỂU LUẬN LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI Đề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CĨ MƠ HÌNH CHUẨN Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN HOA LƯ Th.S HỒ SỸ PHƯƠNG Nhóm: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Xuân Nam MSSV: 1755252021600054 Nghệ An, 2021 MỤC LỤC Trang Mục lục Danh mục hình ảnh Đánh giá nhận xét Phần 1: Cơ sở lý thuyết 1.1 Tổng quan lò sấy 1.2 Phân loại hệ thống sấy 1.2.1 Hệ thống sấy tự nhiên 1.2.2 Hệ thống sấy nhân tạo 1.3 Các dạng lò sấy 10 1.3.1 Lò sấy gia nhiệt khói lị 10 1.3.2 Lị sấy gia nhiệt nước 11 1.3.3 Lò dấy gia nhiệt điện trở 11 1.4 Định nghĩa hệ điều khiển thích nghi 11 1.5 Ưu điểm hệ thích nghi 1.6 Phân loại hệ thống điều khiển thích nghi 1.7 Hệ thống tự chỉnh có mơ hình thích nghi (MRAS) 1.8 Luật thích nghi 15 12 12 12 1.8.1 Phương pháp độ nhạy (luật MIT) 15 1.8.2 Gradient phương pháp bình phương bé dựa tiêu chí đánh giá hàm chi phí sai số 16 1.8.3 Hàm Lyapunov 17 Phần 2: Thiết kế tính tốn 18 2.1 Mơ hình hóa đối tượng lị sấy 18 2.2 Mơ hình tốn học lị sấy 19 2.3 Xây dựng hàm truyền đối tượng 20 Phần 3: Mô đánh giá kết kết luận 3.1 Mô hình vịng hở lị sấy23 3.2 Xây dựng điều khiển thích nghi 24 3.3 Mơ hình chuẩn lị sấy 25 3.4 Bộ điều khiển PID 25 3.5 Mơ hình hệ thống 26 3.6 Kết mô 27 3.7 Nhận xét 29 Kết luận 23 30 Tài liệu tham khảo 31 DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1 Hệ thống sấy thực phẩm tự nhiên Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống sấy đối lưu Hình 1.3 Hệ thống sấy buồng Hình 1.4 Hệ thống sấy hầm Hình 1.5 Hệ thống sấy tháp Hình 1.6 Hệ thống sấy thùng quay Hình 1.7 Hệ thống sấy khí động kiểu đứng Hình 1.8 Hệ thống sấy phun 10 Hình 1.9 Phân loại hệ thống điều khiển thích nghi 12 Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự chỉnh có mơ hình chuẩn 13 Hình 1.11 Bộ điều khiển loại trực tiếp (DMRAC) 14 Hình 1.12 Bộ điều khiển loại gián tiếp (IRMAC) 15 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ20 Hình 2.2 Ngun lý điều khiển cơng suất vào Hình 2.3 Mơ hình hóa lị sấy 20 21 Hình 3.1 Mơ hình vịng hở lị sấy 23 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển thích nghi PID cho đối tượng lị sấy Hình 3.3 Mơ hình chuẩn lị sấy Hình 3.4 Bộ điều khiển PID 26 Hình 3.5 Mơ hình hệ thống 26 Hình 3.6 Mơ hình vịng hở 27 24 25 Hình 3.7 Mơ hình với giá trị = 0; = 0.00375; = 864 27 Hình 3.8 Mơ hình với giá trị = 3.6; = 0; = 864 Hình 3.9 Mơ hình với giá trị = 3.6; = 0.00375; = 28 28 Hình 3.10 Mơ hình với giá trị = 10; = 0,00052; = 2400 29 PHẦN CỞ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan lò sấy Sấy khâu quan trọng dây chuyền công nghệ, sử dụng nhiều ngành chế biến nông – lâm – hải sản, phương pháp bảo quản sản phẩm đơn giản, an tồn dễ dàng Sấy khơng đơn tách nước khỏi vật liệu mà trình cơng nghệ phức tạp, địi hỏi vật liệu sau sấy phải đảm bảo chất lượng theo tiêu với mức phí lượng tối thiểu Diễn biến q trình sấy khơ sau: vật thể gia nhiệt để đưa nhiệt độ lên đến nhiệt độ bão hòa ứng với áp suất nước bề mặt vật thể, vật thể cấp nhiệt để làm bay ẩm 1.2 Phân loại hệ thống sấy Phân loại hệ thống sấy: hệ thống sấy tự nhiên, hệ thống sấy nhân tạo 1.2.1 Hệ thống sấy tự nhiên Q trình phơi vật liệu ngồi trời, khơng có sử dụng thiết bị Vật liệu sấy sấy cách phơi lấy nguồn nhiệt trực tiếp từ mặt trời để làm khô vật liệu cần sấy Do vậy, hệ thống sấy sử dụng rộng rãi chế biến nơng sản Hình 1.1 Hệ thống sấy thực phẩm tự nhiên - Ưu điểm:  Cơng nghệ đơn giản, chi phí đầu tư vận hành thấp  Khơng địi hỏi cung cấp lượng nhân cơng lành nghề  Có thể sấy lượng lớn vụ mùa với chi phí thấp - Nhược điểm:  Kiểm soát điều kiện sấy  Tốc độ sấy chậm so với sấy thiết bị, chất lượng sản phẩm dao động  Quá trình sấy phụ thuộc vào thời tiết thời gian ngày  Đòi hỏi nhiều nhân công 1.2.2 Hệ thống sấy nhân tạo Được thực thiết bị sấy vào phương pháp cung cấp nhiệt, chia thành loại: Sấy đối lưu, sấy xạ, sấy thăng hoa, sấy điện trường dòng cao tần, sấy điện trở, - Sấy đối lưu: Khơng khí nóng khói lị dùng làm tác nhân sấy có nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ phù hợp, chuyển động chảy trùm lên vật sấy làm cho ẩm vật sấy bay theo tác nhân sấy Khơng khí chuyển động chiều, ngược chiều cắt ngang dịng chuyển động sản phẩm Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống sấy đối lưu - Sấy buồng: Cấu tạo chủ yếu sấy buồng buồng sấy Trong buồng sấy có bố trí thiết bị đỡ vật liệu gọi chung thiết bị truyền tải Nếu dung lượng buồng sấy bé thiết bị truyền tải khay sấy gọi tủ sấy Nếu dung lượng buồng sấy lớn thiết bị truyền tải xe gng gọi hệ thống sấy buồng kiểu xe gng Hình 1.3 Hệ thống sấy buồng - Sấy hầm: Là hệ thống sấy mà thiết bị sấy hầm dài, vật liệu sấy vào đầu đầu hầm Thiết bị truyền tải hệ thống thường xe goòng với khay chứa vật liệu sấy băng tải Hình 1.4 Hệ thống sấy hầm - Sấy tháp: Là hệ thống sấy chuyên sử dùng để sấy vật liệu sấy dạng hạt thóc, ngô, lúa mỳ, Thiết bị sấy hệ thống tháp sấy, người ta đặt loạt kênh dẫn xen kẽ với loạt kênh thải Vật liệu sấy từ xuống cà tác nhân sấy từ kênh dẫn xuyên qua vật liệu sấy thực trình trao đổi nhiệt - ầm với vật liệu vào mơi trường Hình 1.5 Hệ thống sấy tháp - Sấy thùng quay: Hình 1.6 Hệ thống sấy thùng quay Là hệ thống sấy chuyên dụng để sấy vật liệu dạng cục, hạt Thiết bị sấy hệ thống hình trụ trịn đặt nghiêng góc định Trong thùng sấy có bố trị cánh để xáo trộn vật liệu không Khi thùng sấy quay, vật liệu sấy dịch chuyển từ đầu đến đâu vừa bị xáo trộn vừa thực trình trao đổi nhiệt - ẩm với tác nhân sấy - Sấy khí động: Có nhiều dạng khí động thiết bị sấy hệ thống sấy ống trịn phễu, tác nhân sấy có nhiệt độ thích hợp với tốc độ cao vừa làm nhiệm vụ trao đổi nhiệt - ẩm vừa làm nhiệm vụ đưa vật liệu sấy từ đầu đến đầu thiết bị sấy Hình 1.7 Hệ thống sấy khí động kiểu đứng - Sấy phun: Là hệ thống sấy dùng để sấy dung dịch huyền thù công nghệ sản xuất sữa bột Thiết bị sấy hệ thống hình chóp trụ, phần chóp quay xuống Dung dịch huyền thù bơm cao áp đưa vào thiết bị tạo sương mù Tác nhân sấy có nhiệt độ thích hợp vào thiết bị sấy thực trình trao đổi nhiệt - ẩm với sương mù vật liệu sấy thải vào môi trường Hình 1.8 Hệ thống sấy phun 1.3 Các dạng lị sấy 1.3.1 Lị sấy gia nhiệt khói lị Trong hệ thống sấy, khói lị dùng với tư cách tác nhân sấy nguồn cấp nhiệt lượng để đốt nóng khơng khí calorifer khí – khói Khói lị gồm khí khơ nước vốn có nhiên liệu phản ứng cháy với hydro sinh Khói lị chứa lượng định tro bay theo chất độc hại lưu huỳnh vốn có trogn nhiên liệu Do đó, khói lị dùng làm tác nhân sấy trường hợp vật liệu sấy không sợ bám bẩn thức ăn gia súc vật liệu xây dựng 1.8.3 Hàm Lyapunov Trong phương pháp này, lý thuyết ổn định Lyapunov (tiêu chuẩn ổn định thứ hai) dùng để thiết kế luật thích nghi, đảm bảo ổn định cho hệ thống vịng kín Do đó, sơ đồ điều khiển thích nghi dựa lý thuyết ổn định Lyapunov không gặp trở ngại sơ đồ sử dụng luật MIT Tiêu chuẩn ổn định thứ hai Lyapunov điều kiện đủ, điều kiện cần Nếu thỏa tiêu chuẩn hệ ổn định, khơng thỏa vấn đề kết luận tính ổn định cịn bỏ ngõ, phụ thuộc vào cách chọn hàm mục tiêu xác định dương V(x) biến trạng thái x 17 PHẦN THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN 2.1 Mơ hình hóa đối tượng lị sấy Ta có phương trình khơng gian trạng thái hệ m bậc tự dạng vi phân: Trong đó: - p biến tín hiệu vào, - n biến trạng thái, - m biến tín hiệu Với yêu cầu thỏa mãn điều kiện ổn định, điều khiển được, quán sát Nếu u(t), x(t), y(t) biến trạng thái rời rạc phương trình khơng gian trạng thái viết lại sau: Xét hệ tuyến tính ta có: Trong đó: - ma trận phi tuyến bậc (nxp), - vecto phi tuyến bậc m, - ma trận tuyến tính bậc (nxn), (nxp), (mxn) Với hệ tuyến tính, tín hiệu yp(k + 1) tổng hợp giá trị khứ tín hiệu vào u(k – j) tín hiệu yp(k – j) viết dạng: Trong đó: hệ số chưa biết (m n) Với hệ phi tuyến phương trình (1.19) viết dạng sau: y(k+1) = f 18 Ở f hàm phi tuyến y(k) u(k) Phương trình (2.23) có bốn dạng diểu diễn cụ thể (m n): Dạng 1: Dạng 2: = f [(k), , , + Dạng 3: =f[ Dạng 4: Trong đó: u(k), cặp tín hiệu vào hệ thống thời điểm k 2.2 Mơ hình tốn học lị sấy Dựa vào số mơ hình tốn học số liệu thu thập từ lị sấy thực tế ta có mơ hình tốn học sau: T(k) = T(k-1) +(( Đặt: - T(k) = y(k) - : thời gian lấy mẫu (s) - : hệ số truyền nhiệt (l/s) - Nhiệt độ môi trường - : Nhiệt độ thiết bị đo - U: Hệ số truyền nhiệt (J/ - : Khối lượng riêng khơng khí (kg/l) - : Thể tích lị (l) - : Nhiệt dung riêng khơng khí (J/g C) - : Điện dẫn () - : Nhiệt lượng (J) Viết lại mô hình lị sấy sau: 19 y(k+1) = y(k) + t ( + + ) 2.3 Xây dựng hàm truyền đối tượng Hệ thống điều khiển nhiệt độ gồm có điều khiển lị sấy có sơ đồ sau: Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ Với qn tính lị nhiệt thường lớn, người ta thường đóng cắt nguồn để thay đổi cơng suất đặt vào lị thay điều khiển điện áp Do từ mạch điều khiển xuất có độ rộng thay đổi khoảng thời gian T định để thay đổi cơng suất cấp cho lị: Hình 2.2 Ngun lý điều khiển công suất vào Như thời gian Lò Sấy cấp nguồn, thời gian (T - ) cắt nguồn Ứng với thay đổi từ –T cơng suất cung cấp cho lị sấy thay đổi từ - : Ta sử dụng mô hình Lị Sấy với đầu vào phần trăm cơng suất, đầu giá trị nhiệt độ hình sau: 20 Hình 2.3 Mơ hình hóa lị sấy Các thông số theo phần trăm công suất đầu vào tham khảo: Phần trăm công suất (%) 10 20 25 30 40 Nhiệt độ xác K 8.8 8.6 8.5 8.4 8.37 8.3 T 1400 1350 1320 1300 1250 1200 L lập 120 110 100 100 90 90 () 44 86 170 210 251 332 Nhận xét: - Các thơng số đo khơng tải (Lị Sấy chưa có sản phẩm) - Các thơng số K, L, T đối tượng mà ta biết không xác, bị thay đổi giả sử nằm phạm vi: K= + L= + T= + - Ở nhiệt độ làm việc xác lập Lị Sấy (từ 80 - 200), phần trăm cơng suất cấp vào hệ kín xác lập nằm khoảng 10 – 25% Để thuận lợi việc tính tốn thiết kế điều khiển, ta chọn tham số hàm truyền đạt đối tượng ứng với khoảng Chọn K, T, L theo thông số 25% công suất, ta có hàm truyền đạt lị sấy: 21 22 PHẦN MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN 3.1 Mơ hình vịng hở lị sấy Hình 3.1 Mơ hình vịng hở lị sấy Trong đó: - Step: tín hiệu hàm nấc thể phần trăm cơng suất cung cấp cho lò sấy Giá trị hàm nấc từ – tương ứng cong suất cung cấp 0% - 100% - Transfer Fcn – Transfer Fcn1: mơ hình lị sấy tuyến tính hóa - Đầu Transfer Fcn1 nhiệt độ thực lò sấy đưa vào Scope để quan sát 23 3.2 Xây dựng điều khiển thích nghi Sơ đồ nguyên lý điều khiển thích nghi PID cho đối tượng lị sấy sau: Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển thích nghi PID cho đối tượng lị sấy Trong đó: - x: giá trị nhiệt độ đặt - y: giá trị nhiệt độ lò sấy - : giá trị nhiệt độ mong muốn đầu - - : sai số cần điều khiển - Khối mơ hình mẫu: tạo giá trị nhiệt độ mong muốn tương ứng với giá trị đặt x - Bộ điều khiển PID: có tham số , , cập nhật cấu hiệu chỉnh - Cơ cấu hiệu chỉnh: thành phần quan trọng điều khiển thích nghi, khối tự động cập nhật tham số , , cho điều khiển PID - Đối tượng: đối tượng cần điều khiển Lò Sấy, với đầu y: giá trị nhiệt độ 24 3.3 Mơ hình chuẩn lị sấy Theo mục (2.3) ta có hàm truyền lị sấy: Hình 3.3 Mơ hình chuẩn lị sấy Trong đó: - Đầu vào % cơng suất cung cấp cho lị sấy - Các khối Transfer Fcn mơ hình lị sấy tuyến tính hóa - Đầu nhiệt độ lò sấy 3.4 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID thiết kế với thông số: 25 Hình 3.4 Bộ điều khiển PID 3.5 Mơ hình hệ thống Hình 3.5 Mơ hình hệ thống 26 3.6 Kết mơ  Mơ hình vịng hở Hình 3.6 Mơ hình vịng hở  = 0; = 0.00375; = 864 Hình 3.7 Mơ hình với giá trị = 0; = 0.00375; = 864 27  = 3.6; = 0; = 864 Hình 3.8 Mơ hình với giá trị = 3.6; = 0; = 864  = 3.6; = 0.00375; = Hình 3.9 Mơ hình với giá trị = 3.6; = 0.00375; = 28 = 10; = 0,00052; = 2400  Hình 3.10 Mơ hình với giá trị = 10; = 0,00052; = 2400 3.7 - Nhận xét Kết mô cho thấy, xác định tham số thích hợp điều chỉnh PID trình độ kết thúc sớm, chất lượng điều khiển hệ thống nâng cao - Khi tăng Kp lên đủ lớn, ta thấy trình độ hệ thống kín kết thúc sớm - Kết mô cho MATLAB cho thấy hệ thống hoạt động đảm bảo độ tin cậy, độ xác, dễ thực kỹ thuật, đơn giản công việc hiệu chỉnh tham số điều chỉnh 29 KẾT LUẬN Điều khiển q trình nhiệt lị sấy đối tượng khác phức tạp nhiều khâu cần điều khiển, mục tiêu cuối đảm bảo chất lượng tín hiệu điều khiển Với mơ hình đối tượng phi tuyến, trễ bậc lò sấy, ta sử dụng điều khiển thích nghi với thơng số thiết lập cho ta kết mô nhiệt độ bám tốt với với nhiệt độ đặt trước Chất lượng điều khiển đảm bảo thông số chất lượng điều chỉnh Điều khiên thích nghi tổng hợp kỹ thuật nhằm tự động chỉnh định điều chỉnh mạch điều khiển nhằm thực hay trì mức độ định chất lượng hệ thống thơng số q trình thay đổi theo thời gian 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thương Ngô (2005), Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại, 4, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [2] Phạm Công Ngô (2006), Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [3] Trần Văn Phú (2008), Kỹ thuật sấy, Nhà xuất giáo dục 31 ... - C: điều khiển - Mo: Mơ hình chuẩn - AU: Khối thích nghi - : Giá trị đặt - : Tọa độ mơ hình chuẩn - : Tọa độ đối tượng điều khiển - : Tín hiệu điều khiển - : Sai số tọa độ đối tường điều khiển. .. tiếp gián tiếp - Bộ điều khiển loại trực tiếp (DMRAC) có vecto tham số điều khiển cập nhật trực tiếp luật thích nghi Hình 1.11 Bộ điều khiển loại trực tiếp (DMRAC) - Bộ điều khiển loại gián tiếp... việc hiệu chỉnh tham số điều chỉnh 29 KẾT LUẬN Điều khiển trình nhiệt lò sấy đối tượng khác phức tạp nhiều khâu cần điều khiển, mục tiêu cuối đảm bảo chất lượng tín hiệu điều khiển Với mơ hình đối